陈亮

(南京交通职业技术学院,江苏 南京211188)

在当前建筑工程项目中使混凝土材料构件出现破坏的因素有很多,通常情况下出现结构损坏最主要的原因是:混凝土结构承受应力远超出混凝土材料的最大强度。超声波检测方法是当前检测项目中较为先进的技术,超声波检测法属于无损检测技术,且仪器轻便,在工程项目中使用较为便捷,所以在工程研究中得到广泛应用。

1 试验概况

1.1 测试设备

针对混凝土结构应用超声波检测法,将通过微机控制电液伺服压力试验机对混凝土材料的结构破坏情况进行检验,试验力控制在80kN-2000kN之间；针对混凝土材料及相关非金属材料的超声波检测分析仪是0.4 μs的采样周期,传感器是50kHz。

1.2 测试块

由于建筑工程中混凝土材料的应力与强度有所差异,因此,将分别对应强度等级的混凝土材料试样展开超声波检测,试样以C25、C30、C35和C40进行代替。同时,参照《通用混凝土配合比设计规则》进行评价与判断。为了研究固化时间对测试结果的影响,将强度等级与使用寿命一直的混凝土试样组成一组。分别将每组试样进行150mm×150mm×150mm尺寸的制备,并结合测试寿命的指标,在标准固化条件下,对28d、60d和90d混凝土试样进行固化,根据棱柱混凝土试样的强度,制备出尺寸为50mm×150mm×300mm的砌块。

1.3 试验方法

在超声波检测过程中,使用凡士林作为润滑剂涂抹在立方体和棱柱的上下两端,这是为了减少试样两端的摩擦阻力对混凝土内部损伤的影响。超声平面换能器对称地放置在垂直于加载方向的样本中间。通过分级加载的方法,在各级载荷过程中的保压时间不小于10min的前提下对混凝土试块进行了载荷超声检测试验,然后进行超声检测和数据采集[1]。

1.4 超声波检测原理

当超声波的振动传播扩展在混凝土材料中后,它传出的信号将被换能器接收。最终传回的信号能够表现出混凝土材料内部结构情况,通过最终获取的信号内容来判断混凝土实际需要解决的问题,并以此为目标,对混凝土检测信息进行定量分析,获得混凝土材料的强度等级、损伤情况、缺陷指标等数据。混凝土损伤程度与强度等级的主要判断依据是超声波检测中的幅值与声速。如果混凝土材料中没有损伤,则超声波探头检测出的声速值基本一致。

2 混凝土结构工作应力与超声波波速之间的关系

2.1 强度一致条件下不同寿命混凝土试块的超声波速度变化趋势

不同强度等级的混凝土立方体试块的超声波速度相差较大,固化时间分别为28d、60d和90d。强度一致、使用寿命不一致的混凝土材料试样的原始波速数值从整体上看,未出现较大差异,且当混凝土材料试样寿命有所增加后,原始的波速数值也出现同步增长；当混凝土材料应力水平一致时,除60天寿命的C30混凝土外,波速随年龄增加。当C25混凝土的养护年龄为28d和60d时,在相同应力下的波速比在90d养护下的波速降低更多,应力越大,波速越大。通过检测得出:波速对C30、C35和C40混凝土材料的寿命影响较小,由此可得,当混凝土材料构件具备较高的强度等级,且超声波所检测出的波速比强度数值较小的情况下,混凝土构件使用周期越长,稳固性越高。

2.2 强度等级不同的混凝土试样超声波速度变化趋势

对比不同固化条件下C25、C30、C35和C40测试块的超声波所检测出的波速值会根据应力水平的变化而产生同步变化,基于这一理论可以得出:当混凝土材料构件使用寿命基本一样的情况下,强度不同的混凝土试样所呈现出的原始波速并无太大差异。当应力水平降低后,强度不同的混凝土试样之间的波速差异较小；当应力水平不断加大后,强度与波速值呈正比。使用周期持续增加,强度不高的C25和C30混凝土试样的波速差异较小,强度较高的C35和C40混凝土试样波速差异较小[2]。

2.3 尺寸不同情况下混凝土试样超声波速度变化趋势

将C25、C30、C35、C40立方体与90d棱柱体试样进行超声波波速检测,通过检测可以得出:对以上各个强度的混凝土试样所产生的超声波波速与应力水平进行比较,发现与立方体混凝土结构相比,棱柱体混凝土测试块则显的更为稳定,这是因为棱镜的中心部分受到的影响较小。通过分析得出,当棱柱形试样的应力水平比其实际破坏应力缩减20%时,超声波检测出此时的波速和原始波速基本相同。当应力水平比实际破坏应力增加70%时,波速数值将受到破坏应力水平增加的影响而产生加速降低的现象,当混凝土试样实际破坏应力在20%-70%之间时,超声波波速将根据应力水平的增加而逐步降低。

3 应力水平与超声波振幅关系

通过对比固化时间分别为28d、60d和90d的立方块的工作应力和超声幅度的变化与棱柱体混凝土构件90d的工作应力与超声波幅值的变化关系。从检测结果中得出,三种不同固化年龄的立方块和具有90d固化年龄的棱柱形试样的应力和超声幅值的规律性非常差。特别是具有60d或更长固化年龄的,无论是立方块和棱柱形试样,一样的振幅数值可能会同时对应于多个水平高低不一致的应力。根据实验结果,本文指出了超声波幅值的灵敏度非常高、但却不稳定的特征。通过对60d及90d混凝土结构试样的试验可以看出,不宜用幅值来检测和评价混凝土的工作应力,因为超声波幅值与混凝土应力对应关系太过不规律[3]。

4 超声波检测对混凝土材料构件应力水平的影响分析

超声波检测的主要目的在于为判断混凝土材料与结构的实际应力水平提供检测数据。基于上述关于超声波检测的分析,由于超声波的振幅与混凝土应力水平之间不具备较强的规则性,因此不适合用作测试指标。在超声波测试实验中,由于相关实验设备与仪器并不支持对混凝土材料的检测,所以通常会通过差异化主频率换能器对混凝土材料的构件进行重复性检测。同时,由于主频率对裂缝的观察不敏感,所以有一定几率出现异常现象。因此,本文仅以超声波速度为检测指标,以90d棱柱形试样的超声波检测数据为主要研究出发点,整理并明确混凝土材料构件的自体应力水平与波速之间的关系。用于进行测试以获得近似初始波速,其中vo的分量或结构。设被检部位的超声波速度为v,相对波速系数为dv,混凝土应力损伤系数为dσ。这两个系数的表达式如下:

其中,σ代表构件检测点应力水平；σu代表被检测的混凝土构件的最大破坏应力水平。在混凝土应力水平测试中,采用以下两种方式对混凝土构件实际应力进行评价与估测,找出其实际受压面积。

4.1 工作应力阶段法

如图1所示,参照混凝土材料构件的超声波检测数据,可以将混凝土试样的应力水平与超声波速度之间的关系分为三个阶段。

图1 混凝土结构应力损伤系数与波速系数关系

4.2 混凝土应力水平与波速拟合方法

结合90d棱柱体混凝土试样的检测数据,将各个强度的混凝土应力水平与波速关系公式进行拟合,公式如(3)所示。

其中,σ 是混凝土构件检测部位的工作应力,N/mm2；%V是超声波速度,km/s；vo代表初始超声波速度,本文取5km/s；σu代表混凝土的极限破坏应力,N/mm2；A1为应力衰减参数；%t1是系数。混凝土棱柱体的试样系数如表1所示。

表1 混凝土棱柱体试样数值

在混凝土结构的应力水平超声波检测中,可以通过公式(3)进行实际强度的计算[4]。

5 结论

综上所述,结合混凝土材料建筑结构的强度等级差异与应力水平差异,可以得出:强度较高的混凝土材料建筑结构在超声波检测中的波速数值要比强度较低的混凝土材料建筑结构具备更高的稳定性,且基于棱柱体试样受两端压缩面的摩擦影响较低的优质特征,棱柱体混凝土试样与立方体试样相比,具备更强的稳定性与强度。同时,需要注意的是,超声波振幅与混凝土应力的对应关系不规则,因此无法使用幅值对混凝土工作赢了检测与评估。